基于元结构的机匣加工中心立柱动态优化设计


伯特利数控 加工中心  钻攻中心  

 前言:

 CNC加工中心在工作过程中要承受复杂的静动态载荷和从外界传来的振动的影响,为保证加工质量和加工效率,要求其结构具有良好的动态性能'加工中心整机动态性能的优劣取决于各子部件动态特性的优劣。立柱作为加工中心的主要功能子部件之一,其动态特性是决定加工中心抗振性能的重要因素,提高其动态特性有助于提高加工中心整机的加工精度等性能p-\因此对立柱结构进行优化设计和模态分析是很有必要的。

现阶段加工中心结构优化设计方法主要分为3个方面:结构尺度的优化设计、结构形状的优化设计及拓扑优化M。[10]     拓扑优化设计是以确定结构最优拓扑为目标的优化方法;结构的形状优化设计是以确定结构的最优形状为目标的优化方法;尺度优化设计师以确定结构中各子部分的尺寸为目标的优化方法。如:R. Neugebauej•等[5]应用仿生学原理,重新设计加工中心结构,使加工中心重量得到了减轻,并在一定程度上提高了加工中心的刚度与质量之比。L. Krdl等M运用拓扑优化方法,实现了加工中心的轻量化设计的目标。根据出发点的不同,国内优化设计研究主要分为两方面的内容:第一方面是从结构的整体出发,对加工中心结构进行参数或拓扑优化设计1第二方面利用元结构的思想,对构成加工中心结构的单元进行研究,以提高加工中心床身的性能H论文了利用元结构的思想结合形状优化与尺寸优化方法对立柱进行了结构改进。

元结构的基本思想就是_个结构体就其组成的形体进行解剖分解,最终获得一些最基本的单元结构,这些单元结构被称之为元结构^11]。元结构所具有的形态特征表现为:具有典型筋板形式和出砂孔等结构特征。利用元结构思想对立柱进行解剖分解处理,其依据的是快速设计及框架优选的设计思想,即将目标结构分割为一定数量的相同元结构单元,再通过优化单元体内部的结构特征,从而提高目标结构的动态特性能基于元结构的动态优化方法包含5个具体的步骤:1)将目标结构分为元结构和框架结构;3对元结构进行动态优化设计;3对框架结构进行动态优化设计;4重新建立整体结构的变量化模型;3确定设计变量并进行结构体的优化设计M。本文把组成立柱结构的最小单元称为元结构,立柱的宏观构形为框架结构。元结构的动态特性在一定程度上直接影响立柱的动态特性,从而影响整机的动态性能[14]。许多的元结构通过组合可以形成目标结构,加工中心立柱作为目标结构,其也是由若干个结构相同的元结构组成。影响元结构的模态频率的因素有很多,主要体现在筋板类型、筋板的厚度和固定方式3个方面。这3个方面通过影响兀结构的动态特性对加工中心立柱的模态频率带来不同程度的影响M。 

该立柱大体呈“回”字型,高宽比较大,两侧刚度较低,重心过高。这使得立柱的固有频率偏小,引起加工中心整机的固有频率偏低,加工中心的性能降低引起加工中心加工过程中立柱产生较大的振动。为了保证立柱具有较高的固有频率和刚度,提高其动态性能,对其进行了结构方面的改进,以满足设计的要求。文章从筋板形式和筋板厚度对元结构模态参数影响两个方面进行了研究,并将研究所得的结果运用到了立柱结构的动态优化设计过程中,使得立柱固有频率得到了很大的提高。

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结束语:

 1)为了提高加工中心立柱的模态参数,提出了基于元结构对立柱结构的优化方法。该方法为其他加工中心基础件动态优化提供了_种简洁的技术途径,对于结构参数优化具有一定的指导作用,对于结构快速优化设计也有具有—定的参考价值。

2)研究结果表明该方法也可以有效地控制其他加工中心结构在设计阶段的隐形参数,为加工中心刚度评价系统的建立提供数据支撑。结合模态测试实验与有限元模态分析可以提高研究结果的准确性。

 

 

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